决定煤的灰熔融性温度的因素分析及其计算方法

决定煤的灰熔融性温度的因素分析及其计算方法列举了化学成份、矿物成份、添加助熔剂三个因素对煤灰熔融性的影响，同时对煤灰熔融温度的三个计算方法和适用条件进行了分析，概况如下：1化学成份对煤灰熔融性的影响煤灰是一种极为复杂的无机混合物，其熔融温度与化学组成有一定的关系。煤灰的组成为Al203、Si02、CaO、Mg0、Fe203、K20、Na20、Ti02、S03等，影响其熔融性温度的规律如下。(1)Al203、Ti02含量高的煤灰，其熔融温度也高。当Al203含量40％时，煤灰的FT必定超过1500℃。(2)Si02含量的影响没有A1203那样显著，其规律没有那么明显：Si02含量40％的煤灰其熔融温度较Si02含量40％的煤灰来得高些。Si02含量大于60％时，Si02的增加看不出熔融性温度有规律的变化。(3)煤灰中的CaO大多是以CaSi03形态存在，而CaSi03熔点较低，所以一般CaO含量愈高，煤的灰熔融温度愈低：由于CaO本身熔点很高(2590℃)，如果CaO含量高于50％时，则熔融温度升高：实验结果表明，对于Si02／A12033．0且Si02含量大于50％的煤灰，当CaO含量在20％—25％时，煤灰的熔融温度最低，CaO含量超过这个范围时，煤灰熔融温度开始提高。对于Si02／A120，3．0的煤灰，当CaO含量在30％—35％时，煤灰的熔融温度最低，当CaO含量超过这个范围时，煤灰熔融温度开始提高。(4)由于煤灰中的Mg0含量一般很少，Mg0又与Si02形成低熔点的硅酸盐，所以也起降低灰熔融温度的作用。(5)由于氧化铁与Si02可以形成一系列低熔点的硅酸盐，所以氧化铁起了降低灰熔融温度的作用：在弱还原性气氛中，氧化铁以FeO的形态存在，与其它价态的铁相比，FeO具有最强的助熔效果，如果煤灰中的CaO、碱金属氧化物等助熔组份含量较高且硅铝比较高、Pe2O3含量较低时，煤灰熔融温度就很低；对于硅铝比较低且CaO、碱金属氧化物等助熔组份的含量亦较低的煤灰，在Fe203含量较高时，才能使其熔融温度最低。特别是氧化铁含量低于20g自勺煤灰，当Fe203含量每增加1％，煤灰的ST温度平均降低18nn，因此煤灰的熔融温度是随Fe203含量增高而降低，煤灰的颜色也是随Fe203含量增高而加深：这就是为什么煤浆的灰熔融温度比原料煤的灰熔融温度低40—80℃的原因(磨机磨煤时部分铁屑进入煤浆中)。(6)K20和Na20含量每增加l％，煤灰的FT温度平均降低17．7℃。(7)硫在煤灰中起降低熔融温度的作用。(8)陈文敏通过大量试验数据总结出下列规律：AL2O3/(CaO+Fe2O3)1.0，则FT300℃AL2O3/(CaO+Fe2O3)4.0，则FT400℃Al2O3/(CAO+Fe2O3)5.7，则FTl500℃2矿物成份对煤灰熔融性的影响川井隆夫等研究了粘土矿物对煤灰熔融性的影响，发现年老煤中的矿物以高岭石为主，其煤灰熔融温度比年轻煤的高；高岭石的含量与煤灰熔融性有很好的相关性(相关系数0．89)；硬石膏的存在会降低高岭石的熔融温度。秀郎呼美也指出，常规的酸碱指数与煤灰熔融温度并无较好的相关性，因为它未考虑各种煤灰成份的矿物形态，而矿物形态不同，熔融温度也不相同。刘新兵认为，碱金属氧化物以游离形式存在时能显著降低煤灰熔融温度，但多数煤灰中的K20是作为伊利石的组成部分而存在的，而伊利石受热直至熔化仍无K20析出，故对煤灰的助熔作用大大减弱。这说明元素的矿物形态对煤灰熔融性有重要影响。煤灰熔融温度的显著差别取决于石英、高岭土和长石的含量，随着高岭土含量增加，煤灰熔融温度逐渐提高，对高岭土含量相同的煤灰，熔融温度随长石含量增加而降低。Vassilev指出：煤中主要结晶矿物(5％)是石英、高岭石、伊利石、长石、方解石、黄铁矿和石膏；次要矿物(1％—5％)是方石英、蒙脱石、赤铁矿、菱铁矿、白云石、氯化物和重晶石等。通常富含石英、高岭石、伊利石的煤的灰熔融温度较高；而蒙脱石、斜长石、方解石、菱铁矿和石膏含量高的煤则灰熔融温度较低。煤经高温灰化后，由于发生了物理化学变化，煤灰中的主要结晶矿物变成石英、粘土矿物、长石、碳酸硅、赤铁矿和硬石膏。煤灰熔融性试验表明，硅酸盐矿物含量高的煤灰，熔融温度较高；如果硅酸盐含量少而硫酸盐和氧化物矿物含量高，则煤灰熔融温度较低。煤灰中的耐熔矿物是石英、偏高岭石、莫来石和金红石，而常见的助熔矿物是石膏、酸性斜长石、硅酸钙和赤铁矿，目前还不能准确定量分析高温灰的矿物组成。这一关系可作为预测煤灰熔融温度的基础。在已知煤灰的矿物含量时，可以近似计算煤灰中的每种化学成份在助熔矿物或耐熔矿物中的比例，这样将化学分析和矿物研究结合起来，能更为准确地预测煤灰的熔融温度。需要指出的是，这种方法仅对特定的或相似的煤田才准确、可靠。3添加助熔剂对煤灰熔融温度的影响研究发现，在煤灰中加入CaO、Fe203和Mg0，在弱还原气氛中能大大降低煤灰熔融温度。为了减少耐火砖的剥落，需加助熔剂来降低灰渣的熔融温度，通常加入含CaO、Fe203、Mg0的矿石，如石灰石、含Fe203的矿渣等提高灰份中CaO+Fe203+Mg0相对含量以降低灰熔融温度。铁或镁的助熔剂优于钙助熔剂，但成本高：硫铁矿与镁矿的混合物在有些情况下是不适用的，尤其是在制合成气的工艺中，它增加了气体净化装置的负荷和难度，而添加助熔剂CaC03降低灰熔融温度将导致黑水处理及换热系统结垢严重，且氧耗、能耗高，气化效率低：操作复杂，有效气体成份低。因此，助熔剂的加入增加了煤中的惰性物质含量，在固体灰渣处理量增加的同时还增加了整个制浆过程的成本，减少了煤浆的有效成份。鲁南Texaco。煤气化装置采用不同煤种混配以改变煤灰组成来降低灰熔融温度，即将煤灰组份MgO、Fe203、CaO、K20、Na20高的煤与灰熔融温度较高的煤混配来降低灰熔融温度，减少或取消助熔剂CaC03的添加量，以降低黑水系统中Ca2+含量。总之，AL203、Si02和Ti02为酸性氧化物，其含量越多，煤灰的熔融温度就越高；煤灰中的Fe203、CaO、MgO、K20和Na20为碱性氧化物，其含量越多，煤灰的熔融温度就越低。硫在煤灰中起降低熔融温度的作用。能使煤灰的FT温度提高的氧化物，按照作用由大至小的顺序为Ti02AL203Si02；能使煤灰的FT温度降低的氧化物，其作用由大至小的顺序为CaOMg0Fe203Na2O；K2O表现出中间行为。此外，煤灰中碱性氧化物(即b指数，为Fe203+CaO+MgO+KNaO)在40％—50％时，由于低熔点共熔体的形成，使熔融温度最低；当B40％时，煤灰的熔融温度随着酸性氧化物含量的增加而提高；当650％时，煤灰的熔融温度随着碱性氧化物含量的增加而提高，但对应关系较差。4煤灰熔融温度的计算方法长期以来，除实测外，国内外学者做了大量研究工作，提出了几种根据煤灰化学组成预测煤灰熔融温度的方法。如：姚星一等根据我国煤灰组成特点，提出了灰熔融温度FF计算的经验公式：FT=24AL203+11(Si02+Ti02)+7(CaO+MgO)+3(Fe203+KNaO)(1)FT=200+21Al203+lOSi02+5b(2)FT=200+(2．5b+20Al203)+(3．3B+10Si02)(3)(1)、(2)式适用于b30％的煤灰熔融温度计算：(3)式适用于A30％的煤灰熔融温度计算，如果(2．5b+20Al2O3)332时，则应再加上2[332—(2．5b+20Al2O3)]；如果(3．3b+10Si02)475时，应再加上2[475—(3．36+lOSi02)]。这些经验式计算出的FT值一般与实测值之差在100℃以内。Winegartner和Rhodes、Sondreal和Elhnan分别利用大量的美国煤样的分析数据，通过回归分析，得到能够准确预测煤灰熔融温度的预测方程；Vincent研究了新西兰煤灰化学组成与灰熔融温度之间的关系，根据特定煤田的煤灰组成，利用多元回归法、逐步回归法来预测煤灰熔融温度。平户瑞穗根据煤灰中主要化学成份如CaO、Fe203、A1203和Si02与灰熔融温度之间的关系建立了多元回归方程(其相关系数r=0．95)，能够较为准确地预测煤灰的熔融温度。